bahan ajar tentang perpindahan kalor

PERPINDAHAN KALOR

A.   Tujuan pembelajaran

1.      Mempelajari perpindahan kalor beserta caranya

2.      Mempelajari zat yang mudah menghantar panas dan zat yang tidak mudah menghantar panas beserta pemanfaatannya

B.   Perpindahan Kalor

Secara alamiah, kalor selalu berpindah dari tempat atau benda yang bersuhu lebih tinggi ke tempat atau benda yang bersuhu lebih rendah. Kalor tidak pernah berpindah dalam arah sebaliknya dengan sendirinya atau secara spontan. Kalor dapat berpindah dari tempat atau benda yang bersuhu lebih rendah ke tempat atau benda yang bersuhu lebih tinggi jika menggunakan alat tertentu, misalnya lemari es (refrigerator).

Kalor berpindah dari benda yang bersuhu tinggi ke benda yang bersuhu rendah. Jika kita memegang es, maka panas dari tangan akan berpindah ke es, sehingga es mencair.

Perpindahan kalor dapat terjadi dengan tiga cara, yaitu konduksi, konveksi, dan radiasi.

1.     Konduksi pada Zat Padat

Konduksi adalah perpindahan kalor melalui suatu zat tanpa disertai perpindahan partikel penyusunnya.

Perpindahan kalor secara konduksi berlangsung pada benda padat. Misalnya, jika kamu memegang penggaris besi yang salah satu ujungnya dipanaskan, maka ujung penggaris besi yang kamu pegang lama-kelamaan terasa panas(gambar a). Ini berarti kalor berpindah melalui penggaris besi dari ujung yang panas ke ujung yang dingin. Selama perpindahan kalor terjadi, tidak ada partikel besi yang ikut berpindah. Api mula-mula memberikan energi panas kepada bagian penggaris besi yang terkena api sehingga partikel-partikel besi pada bagian itu bergetar dengan hebat dan membentur partikel lain di sekitarnya. Tumbukan antar partikel terus berlanjut ke seluruh bagian penggaris besi. Tumbukan itu menghasilkan energi panas yang kamu rasakan pada bagian penggaris besi yang kamu pegang.

                                                                   (gambar a)

Hantaran kalor hanya terjadi jika ada perbedaan suhu. Kecepatan aliran kalor melalui benda tersebut sebanding dengan perbedaan suhu antara ujung-ujungnya bergantug pada ukuran benda dan jenis benda. Secara kuantitatif aliran kalor melalui uniform dinyatakan oleh persamaan

Dengan

A= luas penampang lintang,

l= jarak antara kedua ujung yang mempunyai suhu T1 dan T2,

k = konstanta pembanding yang disebut konduktivitas termal

Pada umumnya logam merupakan penghantar kalor yang baik, seperti terlihat pada tabel berikut:

Nilai konduktivitas termal beberapa zat

Bahan	Konduktivitas panas J/s m K
Perak Tembaga Aluminium Baja Batu bara Air Asbes Kayu Udara	420 380 200 40 0,84 0,56 0,16 0,08-0,16 0,023

Bahan yang memiliki nilai konduktivitas panas rendah menunjukkan hantaran kalornya rendah, dengan kata lain bahan tersebut merupakan isolator kalor.

Contoh soal

Hitung kecepatan aliran kalor melalui jendela kaca dengan luas kaca 2,0 m x 1,5 m dan tebal 3,2 mm, jika temperatur pada permukaan dalam dan luar 15,0^oC dan 14,0^oC. Nilai konstanta pembanding (k = 0,884 J/s K)

Diketahui:

dinyatakan Q = ?

jawab:

2.     Konveksi pada Zat Cair dan Gas

Konveksi adalah perpindahan kalor melalui suatu zat yang disertai perpindahan partikel zat tersebut.

Perpindahan kalor secara konveksi dapat terjadi bila suatu zat mengalami pemanasan. Pemanasan pada zat menyebabkan perbedaan massa jenis antara bagian zat yang panas dan bagian zat yang dingin. Bagian zat yang panas mengalami pemuaian sehingga memiliki massa jenis lebih kecil dibandingkan bagian zat yang dingin. Perpindahan kalor secara konveksi dapat terjadi pada zat cair dan gas.

Ketika sebuah benda panas memindahkan kalor ke fluida sekitarnya secara konveksi adalah sebanding dengan luas permukaan A yang bersentuhan dengan fluida dan beda suhu ∆T antara benda dan fluida secara matematis dinyatakan oleh persamaan.

Dengan h adalah koefisien konveksi yang besarnya bergantung pada bentuk dan kedudukan permukaan. Nilai h diperoleh dari percobaan.

Contoh soal

Permukaan dalam suatu dinding rumah dijaga bersuhu tetap 30^oC pada saat udara luar 20^oC. Berapa banyak kalor yang hilang karena konveksi alami pada dinding berukuran 8,00 m x 4,00 m selama sehari. Di anggap koefisien konveksi rata-rata 3,5 J/s  K.

Diketahui :  

Ditanyakan: Q ?

Jawab:

a.      Konveksi dalam Zat Cair

Contoh lain peristiwa konveksi zat cair misalnya pemanasan air dalam ketel sebagian terjadi karena konduksi melalui dinding ketel, sebagian lagi karena konveksi yang dialami air itu sendiri.

b.      Konveksi dalam Gas

Peristiwa konveksi lebih cepat terjadi dalam gas dibandingkan dalam zat cair. Dengan demikian, konveksi pada udara lebih cepat terjadi daripada konveksi pada air. Hal ini disebabkan gas mengalami pemuaian yang lebih besar apabila dipanaskan. Walaupun gas termasuk penghantar/ konduktor kalor yang buruk, tetapi gas masih dapat menghantarkan kalor secara konveksi.

Konveksi udara bisa dijumpai pada angin laut, angin darat, cerobong asap pabrik, dan ventilasi.

1)      Angin laut adalah angin yang bergerak dari laut ke darat. Angin laut terjadi pada siang hari. Pada siang hari, udara di atas daratan lebih cepat panas daripada di atas lautan. Akibatnya, massa jenis udara di atas daratan menjadi lebih kecil dibandingkan udara di atas lautan. Udara di atas daratan naik digantikan udara di atas laut. Akhirnya udara mengalir dari laut ke darat.

2)      Angin darat adalah angin yang bergerak dari darat menuju laut. Angin darat terjadi pada malam hari. Seperti yang sudah dikatakan sebelumnya, pada siang hari, udara di atas daratan lebih panas daripada di atas lautan. Namun, karena air laut lebih sulit melepaskan panas yang diterima dibandingkan daratan, maka pada malam hari udara di atas lautan lebih panas. Akibatnya, udara di atas daratan mengalir ke laut.

 

  

3.     Radiasi

Radiasi adalah perpindahan kalor tanpa melalui zat perantara.

Perpindahan panas secara radiasi hanya terjadi dalam gas dan ruang hampa udara. Jika kita berdiri di dekat api unggun, perapian, tungku pemanas, dan semacamnya, maka kita akan mrasakan panas. Panas yang kita rasakan tidak dihantarkan melalui udara karena udara termasuk konduktor kalor yang buruk. Panas tersebut juga tidak dipindahkan secara konveksi karena udara yang panas akan mengalir ke atas, bukan ke samping. Demikian pula panas sinar matahari tidak dapat mencapai permukaan bumi secara konduksi ataupun konveksi. 

Perpindahan panas matahari hanya terjadi dengan cara radiasi. Perpindahan panas dengan cara radiasi bisa melalui ruang hampa udara, artinya berlangsung tanpa perlu zat perantara. Pancaran kalor radiasi ini berupa pancaran gelombang elektromagnetik. Perpindahan kalor secara radiasi ini dapat dihalangi oleh tabir. Misalnya, ketika tubuh kita terpapar terik sinar matahari kita berusaha menghalangi pancaran radiasinya dengan payung atau topi.

Energi radiasi yang dipancarkan oleh suatu permukaan per satuan waktu luas, bergantung pada sifat permukaan serta suhunya. Pada suhu rendah radiasi yang dipancarkan kecil.

Kecepatan sebuah benda meradiasikan energi sebanding dengan perangkat empat suju Kelvin T . Kecepatan radiasinya juga sebanding dengan luas A dari benda yang memancarkannya. Secara matematis ditulis:

Persamaan di atas disebut persamaan Stefan-Boltzmann. Untuk permukaan benda jhitam sempurna, banyak kalor yang dipancarkan adalah

Benda hitam sempurna adalah benda yang dapat memacarkan atau menyerap kalor secara sempurna. Akan tetapi dalam kenyataannya tidak ada benda hitam sempurna. Oleh karena itu, persamaan radiasi dapat ditulis:

Dengan

E = laju pancaran kalor tiap satuan luas

Q = kalor yang dipancarkan

t   = waktu (lama pancaran)

T = suhu mutlak

σ= konstanta Stefan-Boltzman 

e= emisivitas, merupakan bilangan yang menyatakan karakteristik materi memiliki nilai 0 sampai 1.

Permukaan yang sangat hitam mempunyai e mendekati 1, sementara permukaan yang mengkilat mempunyai e mendekati 0. Jika nilai e=0, benda  tidak dapat memancarkan atau menyerap kalor sama sekali. Permukaan mengkilat memncarkan radiasi yang lebih kecil, tetapi juga menyerap sedikit radiasi yang mengenainya (sebagian besar dipantulkan). Benda hitam dan yang sangat gelap menyerap hampir seluruh radiasi yang menimpanya. Maka dapat kita katakan bahwa penyerap yang baik juga merupakan pemancar yang baik.

Apabila sebuah benda dengan emisivitas e dan luas A berada pada temperatur T1 dan benda tersebut dikelilingi oleh lingkungan yang bertemperatur T2 dan emisivitas tinggi, kecepatan radiasi energi oleh sekitarnya sebanding dengan suhu pertama dan kecepatan total aliran kalor radiasi dari benda dinyatakan oleh persamaan

Dengan: A = luas permukaan,

e = emisivitas benda pada suhu T1,

T2 =  suhu sekelilingnya.

Karena kedua benda dan sekelilingnya meradiasikan energi, ada transfer energi total dari satu benda ke benda yang lainnya kecuali keduanya mempunyai suhu sama.

Dari persamaan di atas jika T1 lebih besar dari T2 (dari benda ke sekelilingnya atau lingkungannya), maka benda menjadi dingin. Sebaliknya yang akan terjadi jika T1 lebih keil dari  T2.

Pemanasan benda dengan radiasi Matahari tidak dapat dihitung dengan rumus di atas, tetapi dihitung dengan menggunakan fakta bahwa sekitar 1350 j energi Matahari menimpa Bumi per detik per meter persegi luas yang membentuk sudut siku-siku terhadap berkas sinar Matahari. Angka 1350W/  disebut konstanta Matahari, atmosfer menyerap 70% energi ini sebelum sampai ke permukaan Bumi, saat udara sangat cerah bisa mencapai 1000 W/ .

Sebuah benda yan emisivitasnya e dengan luas permukaan A yang menghadap Matahari menyerap kalor dengan kecepatan:

Di mana ϴ adalah sudu antara berkas sinar Matahari dan garis yang tegak lurus permukaan. Untuk itulah mka radiasi Matahari lebih banyak memanasi Bumi pada waktu tengah hari, di mana posisi Matahari persis di atas kepala kita.

Contoh soal

Sebuah benda hitam sempurna mempunyai suhu 27 . Jika luas permukaanya 3m^2.berapakah kalor yang dipancarkan selama sat menit?

Diketahui T  = 27^oC = 300 K

               A  = 3 m^2

              t   = 1 menit = 60 sekon

Ditanyakan Q = ?

Jawab:

4.     Konduktor Dan isolator

Di alam ini terdapat benda-benda yang sangat baik dalam menghantarkan kalor, ada pula yang buruk dalam menghantarkan kalor. Daya hantar kalor suatu zat adalah kemampuan zat itu untuk menghantarkan kalor. Zat yang berdaya hantar kalor tinggi lebih mudah menghantarkan panas. Berdasarkan daya hantar kalornya, zat dibedakan menjadi dua, yaitu konduktor dan isolator.

a.      Konduktor

Konduktor panas adalah benda-benda yang baik dalam menghantarkan kalor. Contoh bahan konduktor panas antara lain tembaga, aluminium, besi dan silikon.

Contoh pemanfaatan sifat konduktor dalam kehidupan sehari-hari:

1)      Konduktor yang baik seperti aluminium, tembaga, dan besi digunakan untuk membuat perabot dapur (seperti panci, penggorengan, ceret, dll), setrika dan radiator. Pada alat-alat ini kalor dipindahkan dengan cepat.

2)      Solder dibuat dari bahan tembaga atau aluminium dengan maksud agar saat diberi kalor , kalor tersebut berpindah dengan cepat sehingga timah solder segera meleleh dan tidak perlu menunggu lama untuk mendapatkan panas ke batang timah.

3)      Alat pemanggang roti dan tempat pembakar sate terbuat dari bahan tembaga atau aluminium.

b.      Isolator

Isolator (penyekat) panas adalah benda-benda yang tidak baik dalam mengahantarkan kalor. Contoh isolator adalah plastik, karet, gelas, air, wol, udara dan gabus.

Contoh pemanfaatan bahan isolator antara lain:

1)      Tangkai pegangan pada peralatan memasak atau pegangan setrika dibuat dari kayu atau plastik yag sukar menghantarkan kalor. Dengan demikian, pegangan itu tidak terasa panas ketika dipegang.

2)      Penutup poci teh diisi dengan kapuk atau karet busa guna menahan kalor dari luar poci.

3)      Saat kita tidur di lantai beralaskan tikar atau permadani, kalor dari tubuh kita tertahan oleh rongga-rongga udara pada tikar atau permadani sehungga kita tidak merasa dingin.

4)      Hewan-hewan di daerah dingin mempunyai bulu tebal yang mengandung banyak rongga udara di dalamnya sehingga tubuh hewan itu tetap hangat.

5)      Penerapan konsep perpindahan kalor dalam kehidupan sehari-hari

Banyak peristiwa dan peralatan sehari-hari yang memanfaatkan konsep perpindahan kalor misalnya sepeti diuraikan berikut ini.

1)      Termos merupakan peralatan rumah tangga yang dapat mencegah perpindahan kalor secara konduksi, konveksi, maupun radiasi. Termos mempunyai dinding rangkap yang berlapis perak di bagian dalamnya. Ruang antara kedua dinding tersebut merupakan daerah hampa udara. Es di dalam termos dapat bertahan lama karena tidak memperoleh kalor dari luar. Begitu pula minuman yang panas akan tetap panas dalam waktu yang lama karena kalor sulit keluar dari termos. Perpindahan kalor secara konduksi tidak mungkin terjadi di dalam termos sebab di dalam termos terdapat kaca yang sukar menghantarkan kalor. Perpindahan kalor secara konduksi dan konveksi terhambat oleh ruang hampa udara. Perpindahan kalor secara radiasi juga tidak dapat terjadi karena hampir seluruh kalor dipantulkan kembali oleh permukaan yang mengkilap.

2)      Setrika memindahkan kalor ke pakaian yang disetrika secara konduksi. Setrika listrik terbuat dari logam. Gagang setrika terbuat dari kayu, plastik atau ebonit sehingga sukar menghantarkan panas. Pada bagian dalam setrika terdapat elemen pemanas. Elemen pemanas terbuat dari kawat yang dililitkan pada lempeng mika. Kawat ini merupakan kawat halus yang terbuat dari bahan nikelin, konstantan, atau nikrom. Panas yang dihasilkan setrika listrik dipindahkan ke pakaian dengan cara konduksi.

Referensi

Supiyanto. 2002. Fisika 1 utuk kelas 1 SMA Kelas X. Jakarta : Erlangga